一種高強(qiáng)度，兼具導(dǎo)電、導(dǎo)熱和光熱等性能的高取向石墨烯氣凝膠纖維及織物

織物是人類生產(chǎn)生活的必需品，從最早的動(dòng)物毛發(fā)到天然棉麻再發(fā)展到現(xiàn)代文明的人造高性能纖維，伴隨著人類文明的進(jìn)步而高速發(fā)展。氣凝膠纖維兼具了氣凝膠材料低密度、高孔隙率及纖維材料強(qiáng)韌、靈活的優(yōu)點(diǎn)，在隔熱、阻燃和智能穿戴等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。石墨烯氣凝膠纖維以其優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、電熱性能和光熱性能等特性，成為新一代功能化智能織物的優(yōu)選材料。

近期，浙江大學(xué)高超教授和許震研究員團(tuán)隊(duì)在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“Plastic-swelling Preparation of Functional Graphene Aerogel Fiber Textiles”的研究成果。該工作采用預(yù)編織物的塑化溶脹法制備了高性能石墨烯氣凝膠纖維織物，系統(tǒng)闡述了高取向石墨烯氣凝膠纖維的制備方法，突破了石墨烯基高性能氣凝膠纖維難以編織及規(guī)模應(yīng)用的困境。該方法簡便高效，獲得的石墨烯氣凝膠纖維織物具有高強(qiáng)度(113 MPa)和多功能應(yīng)用，為高性能石墨烯氣凝膠纖維織物的制備和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

石墨烯氣凝膠纖維作為發(fā)展最早的一種氣凝膠纖維，由氧化石墨烯溶液經(jīng)由液晶紡絲技術(shù)和冷凍干燥技術(shù)獲得。然而，其不穩(wěn)定的無序多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了石墨烯氣凝膠力學(xué)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能的發(fā)展，使其難以以織物的形式得到廣泛應(yīng)用。該工作提出的塑化溶脹法如圖1所示，基于成熟塑化拉伸技術(shù)制備高取向的氧化石墨烯纖維，并將纖維絲束編織成織物，通過溶劑進(jìn)行塑化溶脹，對溶脹的氧化石墨烯凝膠纖維織物進(jìn)行預(yù)還原、冷凍干燥和高溫還原處理，最終獲得石墨烯氣凝膠纖維織物。

圖1 塑化溶脹制備石墨烯氣凝膠纖維示意圖

塑化溶脹法可以使制備的氣凝膠纖維保持其前驅(qū)體固態(tài)氧化石墨烯纖維的取向度，通過塑化溶脹可以獲得高取向的氣凝膠纖維（圖2），相比于傳統(tǒng)的液晶紡絲法，取向度的提高強(qiáng)化了氧化石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)的搭接強(qiáng)度，提升了力學(xué)強(qiáng)度和比強(qiáng)度。

圖2 (a)塑化溶脹法的取向優(yōu)勢示意圖，3種氣凝膠纖維的 (b-e) 取向度、 (f) 拉伸曲線和(g)比強(qiáng)度

基于塑化溶脹機(jī)理，通過調(diào)節(jié)塑化溶脹浴的組成，即改變?nèi)軇┑臉O性，可以有效調(diào)節(jié)氧化石墨烯凝膠纖維的溶脹率，進(jìn)而大范圍調(diào)控氣凝膠纖維的密度、孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)，突破了傳統(tǒng)液晶紡絲法的密度限制（圖3）。經(jīng)過化學(xué)還原和高溫?zé)崽幚砗螅S著密度增加，石墨烯氣凝膠纖維的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電率逐步提升，單根石墨烯氣凝膠纖維的力學(xué)強(qiáng)度最高可達(dá)103 MPa，導(dǎo)電率可達(dá)1.06 × 104 S/m。

圖3 氧化石墨烯凝膠纖維的(a-b)溶脹率、(c)密度和孔隙率、(d)斷面SEM照片, 不同密度的還原氧化石墨烯氣凝膠纖維和石墨烯氣凝膠纖維的(e)強(qiáng)度、(f)導(dǎo)電率，(g)不同材料的氣凝膠纖維比強(qiáng)度

溶劑極性會(huì)影響預(yù)編織物在塑化溶脹浴中的形態(tài)結(jié)構(gòu)。如圖4所示，溶劑極性較強(qiáng)時(shí)，氧化石墨烯氣凝膠纖維的溶脹率較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，單根纖維在溶脹浴中容易斷裂，破壞了織物結(jié)構(gòu)的完整性；隨著溶劑極性的降低，氧化石墨烯凝膠纖維的溶脹率下降，凝膠強(qiáng)度提升，可以保持預(yù)編織物結(jié)構(gòu)的完整性。

圖4 溶脹浴極性對織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

石墨烯氣凝膠纖維織物兼具了石墨烯優(yōu)異的傳導(dǎo)電熱性質(zhì)、光熱和導(dǎo)熱性質(zhì)，在熱管理和防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。通過施加遠(yuǎn)低于人體安全的電壓，即可改變織物的表面溫度；通過外界陽光照射，可以調(diào)節(jié)織物的表面溫度；通過復(fù)合相變材料(如聚乙二醇分子量4000)，結(jié)合石墨烯的電熱性能，可以有效存儲(chǔ)和釋放能量（圖5）。

圖5 石墨烯氣凝膠纖維織物在(a-c)電熱、(d-f)光熱和(g-i)相變復(fù)合儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

研究成果及展望：
綜上所述，塑化溶脹法為氣凝膠纖維的宏量制備提供了新途徑。通過塑化溶脹法可實(shí)現(xiàn)高性能、多功能石墨烯氣凝膠纖維織物在能源、吸附、催化、儲(chǔ)能和防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，符合未來多功能、低能耗和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。但是，仍存在需要突破的難點(diǎn)，如氣凝膠纖維的孔徑控制等。未來，石墨烯基氣凝膠纖維會(huì)在智能穿戴防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。

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